積分公式 Integral Formula

 

|| だいたい間接的にしか分からない

いろいろざっとまとめてみました。

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微分法則」「微分公式

積分法則」「置換積分」「部分積分

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int f(x)\,dx &=&\displaystyle \int f\Bigl(g(t)\Bigr)\frac{dx}{dt} \,dt \end{array}

 

\begin{array}{clclllll} \displaystyle \Bigl( f(x)g(x) \Bigr)^{\prime}&=&\displaystyle f^{\prime}(x)g(x)+f(x)g^{\prime}(x) \\ \\ \displaystyle f(x)g(x) &=&\displaystyle \int f^{\prime}(x)g(x) \,dx +\int f(x)g^{\prime}(x) \,dx \end{array}

 

この辺りの詳細は別記事にまとめておきます。

 

 

 


目次

 

基本的な積分「三角関数・指数関数・対数関数など」

特殊な積分「高難度の積分・ガウス積分など」

 

 

 

 

 


一般的な積分

 

微分と比較して書いておきます。

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle x^t&=&\displaystyle\frac{d}{dx}\frac{1}{t+1}x^{t+1} \\ \\ \displaystyle\int x^t \,dx &=&\displaystyle\frac{1}{t+1}x^{t+1} \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \frac{1}{x}&=&\displaystyle\frac{d}{dx}\log x \\ \\ \displaystyle\int \frac{1}{x} \,dx &=&\displaystyle \log |x| \end{array}

 

\log x は負の範囲はとらないので

x を全区間で考える場合はこうなります。

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle (ax+b)^t&=&\displaystyle\frac{d}{dx}\frac{1}{t+1}\frac{1}{a}(ax+b)^{t+1} \\ \\ \displaystyle\int (ax+b)^t \,dx &=&\displaystyle\frac{1}{t+1}\frac{1}{a}(ax+b)^{t+1} \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle (x-c)^t&=&\displaystyle\frac{d}{dx}\frac{1}{t+1}(x-c)^{t+1} \\ \\ \displaystyle\int (x-c)^t \,dx &=&\displaystyle\frac{1}{t+1}(x-c)^{t+1} \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \frac{1}{ax+b}&=&\displaystyle\frac{d}{dx}\frac{1}{a}\log (ax+b) \\ \\ \displaystyle\int \frac{1}{ax+b} \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{a}\log (ax+b) \end{array}

 

これらがたぶん最も一般的なやつですね。

全部ひとまとめに覚えておくべきものになります。

ちなみにもちろん t≠-1 です。

 

 

以下、三角関数の簡単なやつはこう

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \sin x&=&\displaystyle\frac{d}{dx} \left( -\cos x \right) \\ \\ \displaystyle\int \sin x \,dx &=&\displaystyle (-\cos x) \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \sin (ax+b)&=&\displaystyle\frac{d}{dx} \left( -\frac{1}{a}\cos (ax+b) \right) \\ \\ \displaystyle\int \sin (ax+b) \,dx &=&\displaystyle \left( -\frac{1}{a}\cos (ax+b) \right)\end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \cos x &=&\displaystyle\frac{d}{dx} \sin x \\ \\ \displaystyle\int \cos x \,dx &=&\displaystyle \sin x \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle \cos (ax+b) &=&\displaystyle\frac{d}{dx} \frac{1}{a}\sin (ax+b) \\ \\ \displaystyle\int \cos (ax+b) \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{a}\sin (ax+b) \end{array}

 

指数関数はこうなります。

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle e^x&=&\displaystyle\frac{d}{dx} e^x \\ \\ \displaystyle\int e^x\,dx &=&\displaystyle e^x \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle a^x&=&\displaystyle\frac{d}{dx} \frac{1}{\log a}a^x \\ \\ \displaystyle\int a^x \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{\log a}a^x \end{array}

 

これらは「不定積分」なので

厳密には「積分定数 C 」が必要なんですが

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle\int x^n \,dx &=&\displaystyle\frac{1}{a+1}x^{a+1}+C \end{array}

 

見やすさのために取り除いています。

気になるなら頭の中で付け足しておいてください。

 

 

 

 

 


特殊な積分

 

「置換積分」「部分積分」を駆使するやつと

『特殊過ぎる操作を行うやつ』を紹介します。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int \tan x \,dx \\ \\ \displaystyle \int \log x \,dx \end{array}

 

意外とこういうシンプルなのが

なんかよくわからんかったりします。

 

 

 

 

 

意外とよくわからんやつ

 

とりあえず既存の関数の話から

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \displaystyle\int \log x \,dx &=&\displaystyle x\log x -x \end{array}

 

「対数関数」はこんな感じになって

「三角関数」は ↓ みたいになります。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)} \,dx &=& \log|f(x)| \end{array}

 

\begin{array}{clrllllll} \displaystyle\int \tan x \,dx &=&\displaystyle -\log |\cos x| \\ \\ \displaystyle \int \frac{1}{\tan x} \,dx &=&\log |\sin x| \end{array}

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int \frac{1}{\sin x} \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{2}\log\left( \frac{1-\cos x}{1 +\cos x} \right) \\ \\ \displaystyle \int \frac{1}{\cos x} \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{2}\log\left( \frac{1 +\sin x}{1 -\cos x} \right) \end{array}

 

意外過ぎる結果ですが

こういった基本的な関数でも

わけわからん結果になったりすることがあります。

 

\begin{array}{llrlllll} \displaystyle\int \frac{1}{\cos^2 x} \,dx &=& \displaystyle \tan x \\ \\ \displaystyle\int \frac{1}{\sin^2 x} \,dx &=& \displaystyle -\frac{1}{\tan x} \end{array}

 

\tan x の微分から

このような結果も導けます。

 

 

 

 

 

確率の話とかで見るやつ

 

「部分積分」を駆使すれば分かるやつを紹介

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{0}^{1} p^n(1-p)^{m} \,dp&=&\displaystyle \frac{n!m!}{(n+m+1)!} \end{array}

 

なんか厳ついですが

「事象」と「余事象」とか

そういう確率の話なんかで見ることがあります。

 

 

 

 

 

ウォリス積分

 

これも「部分積分」を駆使すると求められます。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle n!! &=&n(n-2)(n-4)\cdots \end{array}

\begin{array}{llllll} \displaystyle \mathrm{odd} &=&\{1,3,5,7,...\} \\ \\ \mathrm{even} &=&\{2,4,6,8,...\} \end{array}

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{0}^{\frac{π}{2}} \sin^n x \,dx &=&\displaystyle \left\{ \begin{array}{llllll} \displaystyle \frac{(n-1)!!}{n!!} && n∈\mathrm{odd} \\ \\ \displaystyle \frac{(n-1)!!}{n!!}\frac{π}{2} && n∈\mathrm{even} \end{array} \right. \\ \\ \displaystyle \int_{0}^{\frac{π}{2}} \cos^n x \,dx &=&\displaystyle \left\{ \begin{array}{llllll} \displaystyle \frac{(n-1)!!}{n!!} && n∈\mathrm{odd} \\ \\ \displaystyle \frac{(n-1)!!}{n!!}\frac{π}{2} && n∈\mathrm{even} \end{array} \right. \end{array}

 

形と結果はわりとシンプルですが

「部分積分」が分かってないと意味不明

 

 

 

 

 

特殊な方法で求められる形

 

よく分からない「置換」やら

「対数微分法」を使って求める形

なんでこうなったのかはすぐには分からんです。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int \frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}\,dx &=&\displaystyle \log \left( x+\sqrt{x^2+a^2} \right) \\ \\ \displaystyle \int \sqrt{x^2+a^2}\,dx &=&\displaystyle \frac{1}{2}\left(x\sqrt{x^2+a^2} + a^2\log \left( x+\sqrt{x^2+a^2} \right) \right) \end{array}

 

時間使っても分からないかもしれません。

 

\begin{array}{llrllll} \displaystyle \int \frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}\,dx &=&\displaystyle\arcsin \, \frac{x}{a} \\ \\ \displaystyle \int \frac{1}{a^2+x^2}\,dx &=&\displaystyle \frac{1}{a}\arctan \, \frac{x}{a} \end{array}

 

実際、こういう形は

 

\begin{array}{rcrllllll} \displaystyle y&=&\sin x \\ \\ \arcsin \, y &=&x \end{array}

 

いきなり「逆三角関数」が出てきたりします。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int \frac{1}{x^2-a^2} \,dx &=&\displaystyle \frac{1}{2a}\log \left| \frac{x-a}{x+a} \right| \end{array}

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \frac{x+a}{x-a}\left( \frac{x-a}{x+a} \right)^{\prime} \end{array}

 

なんか分かりそうなのはこれくらいです。

 

 

 

 

 

ガウス積分

 

「指数」に -x^2 が来るパターン

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2} \,dx &=&\displaystyle \sqrt{π} \\ \\ \displaystyle \int_{-\infty}^{\infty}e^{-ax^2} \,dx &=&\displaystyle \sqrt{\frac{π}{a}} \end{array}

 

原始関数が存在しないので

これはこのままでは求められません。

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle dxdy &&→&&r drdθ \end{array}

 

「ヤコビアン」やら「重積分」やら

すごい込み入った手順を経て

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty} e^{-(x^2+y^2)} \,dxdy &=&\displaystyle\int_{0}^{2π}\int_{0}^{\infty} e^{-r^2} r\,drdθ \\ \\ &=&\displaystyle\int_{0}^{2π} \left( \int_{0}^{\infty} e^{-r^2} r\,dr \right) \, dθ \end{array}

 

ようやくこれは求められます。

これも長くなるので詳細は別記事で。

 

 

 

 

 

フレネル積分

 

「三角関数」の変数が x^2 のパターン

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} \sin x^2 \,dx &=&\displaystyle\sqrt{\frac{π}{2}} \\ \\ \displaystyle \int_{-\infty}^{\infty} \cos x^2 \,dx &=&\displaystyle\sqrt{\frac{π}{2}} \end{array}

 

こうなります。

 

 

「留数定理」やらが関わる話で

かなりごちゃごちゃしてるので詳細は別記事で。

 

 

 

 

 

物理学関連のやつ

 

「プランクの法則」から与えられるスペクトル

とまあこの記事内じゃよく分からんこれを使って

「シュテファン=ボルツマン定数 σ 」を求めると

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle σ&=&\displaystyle \frac{2πk^4}{c^2h^3}\int_{0}^{\infty}\frac{x^3}{e^x-1} \,dx \end{array}

 

このようになることから

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{0}^{\infty}\frac{x^3}{e^x-1} \,dx \end{array}

 

これを求める必要に迫られた結果

 

\begin{array}{llllll} \displaystyle \int_{0}^{\infty}\frac{x^3}{e^x-1} \,dx &=&\displaystyle\frac{π^4}{15} \end{array}

 

なんとか求めたらこうなったやつ。

いやすごい直感的じゃないですね。意味不明。

 

 

求める手段は確立されてるんですが

手順がかなり複雑なのでこちらも別記事で。